ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2002 года по МПК H01Q1/12 H01Q21/06 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может использоваться при проектировании антенн для систем связи, локации и радиоэлектронной борьбы в метровом диапазоне длин волн.

В качестве прототипа выбрана широкополосная антенная решетка (см. патент РФ 2052878, МПК Н 01 Q 21/00 от 01.04.93), содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которой выполнены система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв. Излучающий раскрыв образован из рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях. При этом каждый рупорный излучатель следующего уровня образован парой рупорных излучателей предыдущего уровня, смежные стенки, которых пересекаются в точке, лежащей на оси симметрии рупорного излучателя следующего уровня на расстоянии больше половины длины волны до их наружных стенок, и имеет апертуру в два раза больше апертуры рупорного излучателя предыдущего уровня, причем рупорные излучатели нулевого уровня связаны с системой возбуждения и их количество четное, а количество рупорных излучателей в каждом из остальных уровней определено соотношением n=2^p-m, где n - число рупорных излучателей, р - число уровневых переходов, m - номер уровня.

Известная широкополосная АР возбуждается в широкой полосе частот, однако она не позволяет получить низкий уровень внутреннего отражения электромагнитного поля во всем рабочем диапазоне частот, устранить потери электромагнитного поля, возникающие из-за необходимости дополнительной его трансформации в полосково-щелевых преобразователях, а также обеспечить эффективное направленное излучение в метровом диапазоне длин волн.

Сущность изобретений заключается в следующем.

Предлагаемая широкополосная АР так же, как и прототип содержит полосковую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения на n выходов и связанный с ней излучающий раскрыв, выполненный из n рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях.

В отличие от прототипа, в предлагаемой широкополосной АР дополнительно введены корпусная и апертурная опоры, образующие рупорных излучателей выполнены из гибкого проводящего материала, система возбуждения размещена на корпусной опоре и механически связана с ней, апертурная опора выполнена из диэлектрического материала и размещена на линии образования апертуры антенной решетки, а образующие рупорных излучателей свободными концами механически связаны с апертурной опорой и находятся в натянутом состоянии, каждый выход системы возбуждения плавно переходит в рупорный излучатель решетки в Е плоскости, все рупорные излучатели электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру антенной решетки, а ее геометрические параметры определяются из соотношений
H ≥ λ_max/2; (1)
D²=4• [cos(u•D)-1]/u², (2)
h_min≥ λ_min/2; (3)
где u = ε^0,5•k•(cosθ-1), (4)
k=2•π/λ, (5)
λ_max- максимальная длина волны требуемого рабочего диапазона длин волн антенной решетки;
λ_min - минимальная длина волны требуемого рабочего диапазона длин волн антенной решетки;
λ- длина волны, на которой определяется коэффициент усиления антенной решетки;
ε- диэлектрическая проницаемость;
Н - высота антенной решетки;
h_min - геометрический размер апертуры наименьшего элемента антенной решетки;
D - длина антенной решетки;
θ- требуемая ширина диаграммы направленности антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая антенная решетка, является снижение внутренних отражений электромагнитного поля и потерь в метровом диапазоне длин волн.

Совокупность общих и частных существенных признаков изобретения обеспечивает возможность решения задачи и достижения требуемого технического результата, а именно: улучшение согласования (снижения КСВН - коэффициента стоячей волны по напряжению) и повышение коэффициента усиления широкополосной антенной решетки в метровом диапазоне длин волн.

Действительно, согласование АР оценивается КСВН, который для качественных антенн не должен превышать заданного уровня во всем рабочем диапазоне частот. В свою очередь КСВН полностью определяется внутренними отражениями, возникающими на всех неоднородностях в АР. По этой причине снижение внутреннего отражения АР, достигающееся в системе возбуждения АР за счет исключения частотно-зависимого преобразования поля на полосково-щелевом преобразователе, а также снижение отражения в излучающем раскрыве за счет его геометрического увеличения, естественным образом приводит к снижению потерь при излучении и, следовательно, повышению η - КПД антенной решетки. Кроме того, увеличение длины D антенной решетки позволяет сузить диаграмму направленности АР в плоскости вектора магнитного поля, что повышает коэффициент μ направленного действия (КНД) АР. Поскольку коэффициент усиления АР определяется как
K_у= η•μ,
то увеличение КПД и КНД АР приводит к росту ее коэффициента усиления.

В результате поиска не обнаружено информации, позволяющей сделать вывод об известности отличительных признаков заявляемого технического решения, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию новизны.

Из предшествующего уровня техники не известно влияние отличительных признаков заявляемых технических решений на достигаемый технический результат, следовательно, заявляемые технические решения соответствуют условию изобретательского уровня.

Сущность изобретений раскрывается чертежами, где на фиг.1 - фиг.4 приведены варианты широкополосной антенной решетки и поясняются принципы ее реализации.

На фиг.1 изображена четырехэлементная широкополосная АР, включающая корпус (СВЧ сумматор) 1, входной разъем 2, образующие 3 рупорных излучателей, корпусную опору 4, апертурную опору 5 и две подставки 6.

На фиг. 2 приведена одноэлементная АР, состоящая из корпуса 1, входного разъема 2, одиночного элемента, создаваемого образующими 3 рупорного излучателя, корпусной 4 и апертурной 5 опор и двух подставок 6.

На фиг.3 показаны элементы АР видимые сверху, а именно: корпус 1, верхняя образующая 3 рупорного излучателя, апертурная опора 5, подставки 6 и диэлектрические растяжки 7, удерживающие АР в вертикальном положении.

На фиг.4 показана двухэлементная АР, которая возбуждается в двух уровнях образования рупорных излучателей. В этом случае АР содержит: корпус (СВЧ сумматор) 1, входной разъем 2, образующие 3 рупорных излучателей, корпусную опору 4, апертурную опору 5, две подставки 6 и подвеску 8 диэлектрическую, которая позволяет уменьшить длину внутренних образующих 3 рупорных излучателей и тем самым сформировать два уровня возбуждения АР.

На фиг.5 приведена электрическая схема четырехэлементной АР. Сумматор АР расположен в корпусе 1 антенны и имеет две электрически изолированные между собой шины корпусную 9 (электрически связанную с корпусом) и токоведущую 10 (изолированную от корпуса). Образующие 3.1 рупорных излучателей электрически связаны с токоведущей шиной 10, а образующие 3.2 электрически связаны с корпусной шиной 9 (корпусом антенны).

Поясним основные принципы, положенные в основу предлагаемого технического решения.

Практическое конструирование широкополосных антенных решеток на базе рупорных излучателей, возбуждаемых симметричными или несимметричными полосковыми линиями, показало, что при диапазоне рабочих частот декада и более проблема согласования антенной решетки с КСВН ниже двух оказывается невыполнимой. Более того, антенна имеет огромные конструктивные проблемы при увеличении рабочей длины волны до 10 м и более и требовании обеспечения направленного излучения. Основными причинами указанных эффектов являются, во-первых, для обеспечения низкого КСВН и высокоэффективного излучения электромагнитного поля в окружающее пространство на низких частотах, необходимо обеспечить выполнение условия (1), что делает несостоятельным применение планарных технологий при проектировании антенн. Задача еще более усугубляется при требовании обеспечить направленное излучение с высоким коэффициентом усиления.

Во-вторых, все известные способы возбуждения широкополосных антенных решеток при возбуждении рупорных излучателей используют переход "полосок - щель", поскольку только такой переход позволяет обеспечить требуемую широкополосносность до декады и более. Однако, несмотря на достоинства, этот переход имеет частотно зависимое реактивное входное сопротивление и вносит дополнительные потери, вызванные скачкообразным преобразованием плоскости поляризации.

В-третьих, пространственные параметры антенной решетки обычно выбираются из соображений обеспечения заданной диаграммы направленности. При этом не учитываются требования к этим параметрам, обеспечивающие согласование АР во всем рабочем диапазоне частот.

Для устранения первого из перечисленных недостатков в предлагаемом техническом решении высота антенны и ее длина выбираются так, чтобы обеспечить наилучшее согласование АР во всем диапазоне рабочих частот, что достигается определением минимальной высоты антенны из условия (1) при строгом равенстве. При этом обеспечение требуемого коэффициента усиления достигается выбором длины антенны в соответствии с (2). Для применения этих результатов при практическом конструировании АР в метровом диапазоне длин волн в предлагаемом варианте ее построения использованы гибкие образующие 3 плоских рупорных излучателей, а для их механической фиксации в пространстве на необходимом по длине и высоте уровне, использована апертурная опора 5, удерживаемая в вертикальном положении растяжками 7.

Уравнение (2) проверено экспериментально на ряде рупорных антенных решеток. С ошибкой, не превышающей 10%, оно устанавливает зависимость длины антенны D, рабочей длины волны λ и ширины диаграммы направленности АР θ в плоскости вектора магнитного поля.

Во-вторых, для согласования АР во всем рабочем диапазоне частот и устранения дополнительных потерь (устранение второго недостатка) в предлагаемом техническом решении в отличие от прототипа исключен переход "полосок - щель", на котором плоскость поляризации поворачивается на девяносто градусов. Для этого в предлагаемой АР каждый излучатель получают путем плавной трансформации полосковой линии в рупорный элемент АР.

Кроме того, для обеспечения согласования АР во всем рабочем диапазоне частот необходимо правильно задать геометрические (пространственные) параметры АР. Для согласования АР на верхних частотах необходимо выполнить условие (3), при котором линейный размер апертуры наименьшего элемента АР, был не меньше половины минимальной длины волны рабочего диапазона.

Согласование АР на нижней рабочей частоте требует выполнения условия, при котором максимальный линейный размер АР (ее высота Н) больше половины максимальной длины волны рабочего диапазона. Математически настоящее условие может быть записано в виде (1). Отметим, что выполнение требований (1)-(2) никак не ограничивает возможностей получения требуемой диаграммы направленности, при заданном рабочем диапазоне частот.

Таким образом, предлагаемая АР позволяет устранить основные недостатки прототипа и обеспечить высокоэффективное согласование АР во всем рабочем диапазоне длин волн метрового диапазона.

Для реализации предлагаемого технического решения в состав АР необходимо включить:
- систему возбуждения АР, представляющую собой СВЧ сумматор на n выходов (размещается в корпусе АР) по числу рупоров АР;
- корпусную опору для установки корпуса АР на требуемой высоте. Опора может быть выполнена из металла или диэлектрика;
- гибкие проводящие образующие (типа "антенный канатик") по две штуки на каждый рупорный излучатель АР;
- апертурную опору, выполненную из диэлектрика, к которой крепятся свободные концы образующих рупорных излучателей, причем апертурная и корпусная опоры устанавливаются вертикально так, чтобы образующие рупорных излучателей находились в натянутом состоянии. Геометрические размеры элементов АР рассчитываются в соответствии с соотношениями (1)-(3).

Возможные варианты выполнения широкополосной антенной решетки приведены на фиг.1 - фиг.4.

Все АР, показанные на фиг.1, фиг.2 и фиг.4, идентичны по конструктивному исполнению и отличаются только числом рупорных излучателей и нюансами их выполнения.

На фиг.1 и фиг.3 показана конструкция четырехэлементной АР, а на фиг. 5 ее электрическая схема. АР работает следующим образом.

В СВЧ сумматор (фиг.5), расположенный в корпусе 1, через разъем 2 поступает электрический сигнал, где он разделяется на 4 равные части. Выходами СВЧ сумматора является несимметричная полосковая линия, которая посредством образующих 3 рупорных излучателей плавно переходит в рупорные излучающие элементы АР. Каждый рупорный излучатель имеет две образующие - 3.1 верхнюю и 3.2 нижнюю. Для синфазного возбуждения всех элементов АР все верхние образующие 3.1 электрически связаны с токоведущей шиной 10 несимметричной полосковой линии, а все нижние 3.2 - с корпусной шиной 9. Корпус 1 АР (фиг.1) установлен при помощи опоры 4 на заданной высоте в вертикальном положении. Концы образующих 3 механически закреплены на опоре 5 апертурной. Опоры 4 и 5 имеют подставку 6 для устойчивости. При необходимости, если размеры АР велики, для обеспечения устойчивости конструкции используются растяжки 7 (фиг. 3).

На фиг. 2 показана одноэлементная АР. Она работает так же, как четырехэлементная АР, но конструктивно проще ее, поскольку СВЧ сумматор для такой антенны представляет собой коаксиально-полосковый переход с одним выходом. Во всем остальном АР аналогична решетке, показанной на фиг.1.

АР, показанная на фиг.4, является промежуточным вариантом построения АР и содержит два излучающих элемента. Конструктивно антенна отличается тем, что ее центральные образующие 3 рупорных излучателей короче крайних. Поэтому для выравнивания длины конструктивных элементов при натяжении использована подвеска 8 диэлектрическая.

В качестве элементной базы для изготовления АР могут использоваться типовые конструкционные материалы, имеющие широкое промышленное распространение. Для изготовления корпуса может использоваться алюминий или латунь, для изготовления апертурной стойки капролон или иные прочные полимерные материалы, а для образующих рупорных излучателей стальной омедненный или никелированный трос. Для токоведущей шины сумматора можно использовать медную фольгу. В качестве фольгированного диэлектрика применяют фольгированный текстолит, гетинакс и т.п. В качестве диэлектрических вставок могут использоваться пенопласты.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике и может использоваться при проектировании антенных решеток (АР) для систем связи, локации и радиоэлектронной борьбы метрового диапазона длин волн. Оно обеспечивает улучшение согласования (снижение КСВН - коэффициента стоячей волны по напряжению) и повышает коэффициент усиления широкополосной АР. Широкополосная АР содержит полосковую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения на n выходов и связанный с ней излучающий раскрыв, выполненный из n рупорных излучателей (РИ), размещенных в нескольких уровнях. Каждый выход системы возбуждения плавно переходит в РИ решетки в Е плоскости, причем образующие рупорных излучателей выполнены из гибкого проводящего материала, система возбуждения размещена на корпусной опоре и механически связана с ней, апертурная опора выполнена из диэлектрического материала и размещена на линии образования апертуры антенной решетки, а образующие РИ свободными концами механически связаны с апертурной опорой и находятся в натянутом состоянии, все РИ электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру АР. Техническим результатом является уменьшение потерь электромагнитного поля и обеспечение эффективного направленного излучения в метровом диапазоне длин волн. 5 ил.

Широкополосная антенная решетка, содержащая полосковую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения на n выходов и связанный с ней излучающий раскрыв, выполненный из n рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены корпусная и апертурная опоры, образующие рупорных излучателей выполнены из гибкого проводящего материала, система возбуждения размещена на корпусной опоре и механически связана с ней, апертурная опора выполнена из диэлектрического материала и размещена на линии образования апертуры антенной решетки, а образующие рупорных излучателей свободными концами механически связаны с апертурной опорой и находятся в натянутом состоянии, каждый выход системы возбуждения плавно переходит в рупорный излучатель решетки в Е плоскости, все рупорные излучатели электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру антенной решетки, а ее геометрические параметры определяются из соотношений
H≥λ_max/2;
D²= 4•[cos(u•D)-1] /u²;
h_min≥λ_min/2;
где u = ε^0,5•k•(cosθ-1);
k = 2•π/λ;
λ_max - максимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот антенной решетки;
λ_min - минимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот антенной решетки;
λ - длина волны, на которой определяется коэффициент усиления антенной решетки;
ε - диэлектрическая проницаемость;
Н - высота антенной решетки;
h_min - геометрический размер апертуры наименьшего элемента антенной решетки;
D - длина антенной решетки;
θ - требуемая ширина диаграммы направленности антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля.